Rozdíly mezi elektrolytickými kondenzátory a filmovými kondenzátory

Kondenzátory jsou klíčové komponenty v různých elektronických a elektrických obvodech, hrají zásadní roli při ukládání energie, stabilizaci napětí a Filtrování. Mezi různými typy kondenzátorů, elektrolytické kondenzátory a Filmové kondenzátory jsou široce používány, ale výrazně se liší z hlediska konstrukce, výkonu a aplikací. V tomto blogu nejen prozkoumáme klíčové rozdíly, ale také se ponoříme do některých technických výpočtů, abychom lépe porozuměli jejich chování v obvodech.

1. Konstrukce a dielektrické materiály

• Elektrolytické kondenzátory:
  Elektrolytické kondenzátory jsou konstruovány pomocí dvou vodivých desek (obvykle hliníku nebo tantalu), přičemž jako dielektrikum slouží vrstva oxidu. Druhá deska je typicky kapalný nebo pevný elektrolyt. Oxidová vrstva poskytuje vysokou kapacitu na jednotku objemu díky své extrémně tenké struktuře. Tyto kondenzátory jsou polarizované, což vyžaduje správnou polaritu v obvodu.

• Filmové kondenzátory:
  Fóliové kondenzátory využívají jako dielektrický materiál tenké plastové Fólie (jako je polypropylen, polyester nebo polykarbonát). Tyto Fólie jsou navinuty nebo naskládány mezi dvě metalizované vrstvy, které Fungují jako desky. Fóliové kondenzátory jsou nepolární, díky čemuž jsou použitelné ve střídavých i stejnosměrných obvodech.

2. Výpočet kapacity

Kapacita ( $C$ ) paralelního deskového kondenzátoru, který platí pro elektrolytické i Filmové kondenzátory, je dán vzorcem:

$$C = \Frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r A}{d}$$

Kde:

• $C$ = kapacita (farady, F)

• $\varepsilon_0$ = permitivita volného prostoru ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = relativní permitivita dielektrického materiálu

• $A$ = plocha desek (m²)

• $d$ = vzdálenost mezi deskami (m)

Příklad výpočtu : Pro elektrolytický kondenzátor používající oxidové dielektrikum ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), s plochou talíře $10^{-4} \, \text{m}^2$ a oddělení $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{F} = 7.53 \, \text{nF}$$

Pro fóliový kondenzátor používající polypropylen ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), stejnou plochu desky a tloušťku dielektrika $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} = 1.95 \, \text{nF}$$

Jak ukazuje výpočet, elektrolytické kondenzátory poskytují výrazně vyšší kapacitu pro stejnou plochu desky a tloušťku dielektrika díky vyšší relativní permitivitě materiálu oxidu.

3. Ekvivalentní sériový odpor (ESR)

• Elektrolytické kondenzátory :

  Elektrolytické kondenzátory mívají vyšší Ekvivalentní sériový odpor (ESR) ve srovnání s filmovými kondenzátory. ESR lze vypočítat takto:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C Q}$$

Kde :

• $f$ = pracovní frekvence (Hz)

• $C$ = kapacita (F)

• $Q$ = faktor kvality

Elektrolytické kondenzátory mají často hodnoty ESR v rozsahu 0,1 až několik ohmů kvůli jejich vnitřnímu odporu a ztrátám elektrolytu. Tato vyšší ESR je činí méně účinnými ve vysokofrekvenčních aplikacích, což vede ke zvýšenému rozptylu tepla.

• Filmové kondenzátory :

  Fóliové kondenzátory mají typicky velmi nízkou ESR, často v rozsahu miliohmů, což je činí vysoce účinnými pro vysokofrekvenční aplikace, jako je filtrování a spínání napájecích zdrojů. Nižší ESR má za následek minimální ztráty energie a tvorbu tepla.

Příklad ESR :
Pro elektrolytický kondenzátor s $C = 100 \, \mu F$ , pracující na frekvenci $f = 50 \, \text{Hz}$ a faktorem kvality $Q = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

Pro fóliový kondenzátor se stejnou kapacitou a pracovní frekvencí, ale vyšším faktorem kvality $Q = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

To ukazuje, že filmové kondenzátory mají mnohem nižší ESR, takže jsou vhodnější pro vysoce výkonné vysokofrekvenční aplikace.

4. Zvlnění proudu a tepelná stabilita

• Elektrolytické kondenzátory :
  Je známo, že elektrolytické kondenzátory mají omezenou schopnost manipulace se zvlněným proudem. Zvlnění proudu generuje teplo díky ESR a nadměrné zvlnění může způsobit odpaření elektrolytu, což vede k poruše kondenzátoru. Jmenovité zvlnění proudu je důležitým parametrem, zejména u napájecích zdrojů a obvodů pohonu motoru.

  Zvlnění proudu lze odhadnout pomocí vzorce:

$$P_{\text{ztráta}} = já_{\text{vlnění}}^2 \times ESR$$

Kde:

• $P_{\text{ztráta}}$ = ztráta výkonu (watty)

• $I_{\text{ripple}}$ = zvlněný proud (ampéry)

Pokud je zvlnění proudu v 100 µF elektrolytickém kondenzátoru s ESR 0,1 ohmu 1 A:

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• Filmové kondenzátory:

  Fóliové kondenzátory se svým nízkým ESR zvládnou vyšší zvlněné proudy s minimální tvorbou tepla. Díky tomu jsou ideální pro střídavé aplikace, jako jsou odlehčovací obvody a kondenzátory motoru, kde dochází k velkým výkyvům proudu.

5. Jmenovité napětí a průraz

• Elektrolytické kondenzátory:
  Elektrolytické kondenzátory mají obecně nižší jmenovité napětí, typicky v rozmezí od 6,3 V do 450 V. Přepětí může vést k dielektrickému průrazu a případnému selhání. Jejich konstrukce je činí náchylnějšími ke zkratům, pokud je poškozena vrstva oxidu.

• Filmové kondenzátory:
  Fóliové kondenzátory, zejména ty s polypropylenovým dielektrikem, zvládnou mnohem vyšší napětí, často přesahující 1 000 V. Díky tomu jsou vhodné pro vysokonapěťové aplikace, jako jsou obvody stejnosměrného meziobvodu, kde je kritická stabilita napětí.

6. Předpokládaná životnost a spolehlivost

• Elektrolytické kondenzátory:
  Očekávaná životnost elektrolytického kondenzátoru je ovlivněna teplotou, zvlněným proudem a provozním napětím. Obecným pravidlem je, že s každým zvýšením teploty o 10 °C se délka života zkracuje na polovinu. Podléhají také stárnutí kondenzátoru , protože elektrolyt v průběhu času vysychá.

• Filmové kondenzátory:
  Fóliové kondenzátory jsou vysoce spolehlivé s dlouhou provozní životností, často přesahující 100 000 hodin při jmenovitých podmínkách. Jsou odolné vůči stárnutí a environmentálním faktorům, díky čemuž jsou ideální pro dlouhodobé aplikace s vysokou spolehlivostí.

7. Aplikace

• Elektrolytické kondenzátory:

  • Filtrování napájecího zdroje

  • Audio obvody (vyhlazení signálu)

  • Spouštěcí obvody motoru

  • Akumulace energie v nízkonapěťových obvodech

• Filmové kondenzátory:

  • Vysokonapěťové AC/DC obvody

  • Odlehčovací obvody pro ochranu proti přepětí

  • Provozní kondenzátory motoru

  • Potlačení EMI/RFI

Tak, Jaký kondenzátor zvolit?

Výběr mezi elektrolytickými a filmovými kondenzátory závisí na konkrétních potřebách aplikace. Elektrolytické kondenzátory nabízejí vysokou kapacitu v kompaktní velikosti a jsou cenově výhodné pro nízkonapěťové aplikace. Jejich vyšší ESR, kratší očekávaná životnost a citlivost na teplotu je však činí méně ideálními pro vysokofrekvenční a vysoce spolehlivé aplikace.

Fóliové kondenzátory se svou vynikající spolehlivostí, nízkou ESR a manipulací s vysokým napětím jsou preferovány v aplikacích, které vyžadují vysoký výkon a odolnost, jako jsou obvody střídavých motorů, výkonové měniče a průmyslové ovládací prvky.

Pochopením klíčových rozdílů a provedením nezbytných technických výpočtů můžete učinit informovanější rozhodnutí pro návrh svého obvodu.